(57)【要約】  【課題】  より簡便で安価な構成により、高温環境下におけるボルトの締付力低下を抑制することができるボルト締結体及びボルト締結方法を提供する。  【解決手段】  第１被締結部材３と第２被締結部材１とは、鋳造用マグネシウム合金により構成されており、ワッシャ１８の母材は展伸用アルミニウム合金により構成されている。ワッシュ１８の第１被締結部材３と当接する下面は、展伸用アルミニウム合金により構成される母材が露出しており、ワッシャ１８のボルト頭部１４と当接する上面は、母材の陽極酸化皮膜１９が形成されている。ボルト４により締め付けられると、母材を構成するアルミニウム合金が塑性変形し、第１被締結部材３のヒケ部１３に母材の一部が充填され、ワッシャ１８の下面と第１被締結部材３の上面８とが密着する。  【選択図】  図２
2005299796.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１ボルト孔が形成された第１被締結部材と、
前記第１ボルト孔と重なる第２ボルト孔が形成された第２被締結部材と、
前記第１ボルト孔と前記第２ボルト孔とに前記第１被締結部材側から挿入され、自身に形成されているボルト頭部により、前記第１被締結部材を前記第２被締結部材に押付けることで前記第１被締結部材と前記第２被締結部材とを締結するボルトと、
前記ボルト頭部と前記第１被締結部材との間に、該ボルト頭部と該第１被締結部材とに当接する形で配置され、前記第１被締結部材と当接する部分が該第１被締結部材よりも展伸性のよい材料により構成されており、前記ボルト頭部と当接する部分が前記第１被締結部材と当接する部分よりも硬度の高い材料により構成されているワッシャとを有することを特徴とするボルト締結体。
【請求項２】
前記ワッシャは、前記第１被締結部材よりも展伸性のよい材料により構成される母材を有するものであって、該母材の前記ボルト頭部に当接する部分に該母材よりも高硬度の皮膜が形成されており、前記第１被締結部材に当接する部分には前記母材が露出しているものであることを特徴とする請求項１に記載のボルト締結体。
【請求項３】
前記第１被締結部材は、マグネシウム合金、アルミニウム合金及び亜鉛合金のうちいずれかにより構成されるものであり、前記ワッシャの前記母材はアルミニウム合金により構成されるものであって、該母材の前記ボルト頭部に当接する部分に前記母材の陽極酸化皮膜が形成されていることを特徴とする請求項２に記載のボルト締結体。
【請求項４】
前記第１被締結部材は、前記第１ボルト孔の周囲にボス部が形成されているものであり、かつ鋳造により成形されるものであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のボルト締結体。
【請求項５】
第１ボルト孔が形成された第１被締結部材と第２ボルト孔が形成された第２被締結部材とを、前記第１ボルト孔と前記第２ボルト孔が重なるように配置し、前記第１ボルト孔と前記第２ボルト孔とに前記第１被締結部材側からボルトを挿入し、該ボルトのボルト頭部により前記第１被締結部材を前記第２被締結部材に押付けることで前記第１被締結部材と前記第２被締結部材とを締結するボルト締結方法において、
前記ボルト頭部と前記第１被締結部材との間に、前記第１被締結部材と当接する部分が該第１被締結部材よりも展伸性のよい材料により構成されており、前記ボルト頭部と当接する部分が前記第１被締結部材と当接する部分よりも硬度の高い材料により構成されているワッシャを配置することを特徴とするボルト締結方法。
【請求項６】
前記ワッシャとして、前記第１被締結部材よりも展伸性のよい材料により構成される母材の前記ボルト頭部に当接する部分に該母材よりも高硬度の皮膜が形成されており、前記第１被締結部材に当接する部分には前記母材が露出しているものを使用することを特徴とする請求項５に記載のボルト締結方法。
【請求項７】
前記第１被締結部材として、マグネシウム合金、アルミニウム合金及び亜鉛合金のうちいずれかにより構成されるものを使用し、前記ワッシャとして、前記母材がアルミニウム合金により構成され、前記ボルト頭部に当接する部分に前記母材の陽極酸化皮膜が形成されているものを使用することを特徴とする請求項６に記載のボルト締結方法。
【請求項８】
前記第１被締結部材として、前記第１ボルト孔の周囲にボス部が形成されており、かつ鋳造により成形されるものを使用することを特徴とする請求項５ないし７のいずれか１項に記載のボルト締結方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、部品同士がボルトにより締結されたボルト締結体及びこのようなボルト締結体を得るためのボルト締結方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両用エンジン等に用いられるオイルパンや、トランスミッションケースには、軽量化を目的として例えばマグネシウム合金、又はアルミニウム合金等の軽合金を鋳造により成形したものが用いられている。これらの部材は、車両用エンジンの他の部分にボルト締結されて使用されるのが通常である。例えば、オイルパンはシリンダブロックにボルトにより締結されるのが通常である。また、トランスミッションケースはエンジン本体にボルトにより締結されるのが通常である。上記のように、２つ以上の異なる部材がボルトにより締結されているものを、本明細書ではボルト締結体というものとする。
【０００３】
図４は、従来のボルト締結体を示すものである。めねじ部材１（例えばシリンダブロック）に対してボス部２を有する被締結部材３（例えばオイルパン）を、そのボス部２を利用してボルト４で締め付ける場合について説明する。この場合、めねじ部品１にめねじ孔５を形成し、被締結部材３にボス部２を貫通するボルト挿入孔６を形成しておく。さらに、母材９の全表面に硬質な表面処理皮膜１０を施したワッシャ１１を用意しておく。そして、ボス部２の上面８にワッシャ１１を配置して、該ワッシャ１１を介して、ボルト挿入孔６及びめねじ孔５にボルト４を挿通し、ボルト挿入孔６に挿通するボルト４のおねじ部７をめねじ部材１のめねじ孔５にねじ込むことで、ボルト４の座面１５により所定の締付力を発生させるようにしている。
【０００４】
一方、前述したオイルパンやトランスミッションケースは、エンジンの駆動時には例えば１２０℃以上の高温の雰囲気に晒されることもあり、部材を構成する材料がクリープ変形を起こす結果、ボルトが弛みやすくボルトによる締付力が低下してしまうという問題がある。このような問題を解決する技術として、特開平５−０５２２０６号公報（特許文献１）には、高温時における締付力の低下を防止する技術が開示されている。特許文献１に開示されているボルト締結体を図５に示す。図４と同一の部材には同一の符号を付与している。めねじ部材１にボルト４で締め付けられる被締結部材３のボス部２に、環状の補強部材１２を圧入してボス部２と一体化している。特に、補強部材１２としては被締結部材３よりも高温クリープ強度の高いものを採用する。このような構成により、被締結部材３のボス部２の周りが補強部材１２により押さえられているので、高温環境における被締結部材３のクリープ変形が抑制され、ボルト４が弛みにくくなる。
【特許文献１】特開平５−０５２２０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、被締結部材３を鋳造により製造すると、図４のように肉厚の大きなボス部２が形成されている場合は、材料の凝固収縮によりボス部２の上面側（特にボルト挿入孔６周辺）にヒケ部１３が形成されやすい。このようにボス部２の上面８表面にヒケ部１３が形成されていると、ワッシャ１１がボス部２の上面８に一部しか当接せずボルト４により十分な締付力を得ることができない。また、ワッシャとボス部２との接触領域が狭く、ボス部２にかかる応力が大きくなる結果、高温環境下で被締結部材３のボス部２が変形しやすくなり、締付力の低下を招く。そのため、ワッシャ１１がボス部２上面８の全体に当接するように、被締結部材３のボス部２の上面８を切削加工等により平坦にする必要があった。そのため、被締結部材３を加工するための工数が増えコスト高となる。
【０００６】
また、図５に示す特許文献１に開示されているボルト締結体においては、補強部材１２を成形するのに工数がかかりコスト高となる。また、構造が複雑なため、製造工程内で管理することが困難である。さらに、図４の場合と同様に被締結部材３に引け部１３が形成されている場合、補強部材１２と被締結部材３とが一部しか当接しないため、十分な締付力を確保するためには、被締結部材３のボス部２上面８を平坦に加工する必要があるという図４のボルト締結体と同様の問題もある。
【０００７】
本発明は上記のような現状を鑑みてなされたものであって、より簡便で安価な構成により、高温環境下におけるボルトの締付力低下を抑制することができるボルト締結体及びボルト締結方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明のボルト締結体は、第１ボルト孔が形成された第１被締結部材と、前記第１ボルト孔と重なる第２ボルト孔が形成された第２被締結部材と、前記第１ボルト孔と前記第２ボルト孔とに前記第１被締結部材側から挿入され、自身に形成されているボルト頭部により、前記第１被締結部材を前記第２被締結部材に押付けることで前記第１被締結部材と前記第２被締結部材とを締結するボルトと、前記ボルト頭部と前記第１被締結部材との間に、該ボルト頭部と該第１被締結部材とに当接する形で配置され、前記第１被締結部材と当接する部分が該第１被締結部材よりも展伸性のよい材料により構成されており、前記ボルト頭部と当接する部分が前記第１被締結部材と当接する部分よりも硬度の高い材料により構成されているワッシャとを有することを特徴とする。
【０００９】
さらに、本発明のボルト締結体は、前記ワッシャは、前記第１被締結部材よりも展伸性のよい材料により構成される母材を有するものであって、該母材の前記ボルト頭部に当接する部分に該母材よりも高硬度の皮膜が形成されており、前記第１被締結部材に当接する部分には前記母材が露出しているものであるのがよい。
【００１０】
さらに、本発明のボルト締結体は、前記第１被締結部材は、マグネシウム合金、アルミニウム合金及び亜鉛合金のうちいずれかにより構成されるものであり、前記ワッシャの前記母材はアルミニウム合金により構成されるものであって、該母材の前記ボルト頭部に当接する部分に前記母材の陽極酸化皮膜が形成されているのがよい。
【００１１】
さらに、本発明のボルト締結体においては、前記第１被締結部材は、前記第１ボルト孔の周囲にボス部が形成されているものであり、かつ鋳造により成形されるものとすることができる。
【００１２】
また、上記課題を解決するために、本発明のボルト締結方法は、第１ボルト孔が形成された第１被締結部材と第２ボルト孔が形成された第２被締結部材とを、前記第１ボルト孔と前記第２ボルト孔が重なるように配置し、記第１ボルト孔と前記第２ボルト孔とに前記第１被締結部材側からボルトを挿入し、該ボルトのボルト頭部により前記第１被締結部材を前記第２被締結部材に押付けることで前記第１被締結部材と前記第２被締結部材とを締結するボルト締結方法において、前記ボルト頭部と前記第１被締結部材との間に、前記第１被締結部材と当接する部分が該第１被締結部材よりも展伸性のよい材料により構成されており、前記ボルト頭部と当接する部分が前記第１被締結部材と当接する部分よりも硬度の高い材料により構成されているワッシャを配置することを特徴とする。
【００１３】
さらに、本発明のボルト締結方法は、前記ワッシャとして、前記第１被締結部材よりも展伸性のよい材料により構成される母材の前記ボルト頭部に当接する部分に該母材よりも高硬度の皮膜が形成されており、前記第１被締結部材に当接する部分には前記母材が露出しているものを使用するのがよい。
【００１４】
さらに、本発明のボルト締結方法においては、前記第１被締結部材として、マグネシウム合金、アルミニウム合金及び亜鉛合金のうちいずれかにより構成されるものを使用し、前記ワッシャとして、前記母材がアルミニウム合金により構成され、前記ボルト頭部に当接する部分に前記母材の陽極酸化皮膜が形成されているものを使用するのがよい。
【００１５】
さらに、本発明のボルト締結方法においては、前記第１被締結部材として、前記第１ボルト孔の周囲にボス部が形成されており、かつ鋳造により成形されるものを使用することができる。
【発明の効果】
【００１６】
前述したように、本発明のボルト締結体及びボルト締結方法においては、第１被締結部材と第２被締結部材とをワッシャを介してボルトにより締結している。さらに、締結に使用されるワッシャとして、第１被締結部材と当接する部分とボルト頭部と当接する部分とが異なる材料により構成されるものを使用している。具体的には、ワッシャの第１被締結部材と当接する部分は、該第１被締結部材よりも展伸性のよい材料により構成し、ワッシャのボルト頭部と当接する部分は、第１被締結部材と当接する部分よりも高硬度の材料により構成している。このような構成によれば、第１及び第２被締結部材をボルト締結すると、ボルト頭部による締付力により、ワッシャの第１被締結部材と当接する部分が第１被締結部材から反力を受け塑性変形しやすくなっている。ワッシャの第１被締結部材と当接する部分が塑性変形すると、第１被締結部材とワッシャとが密着しやすくなり、第１被締結部材とワッシャとが当接する領域が広くなる。その結果、高温環境下における第１被締結部材のクリープ変形を抑制することができる。一方、ワッシャのボルト頭部と当接する部分は、第１被締結部材に当接する部分よりも硬度の高い材料により構成されているので、ボルト頭部からの締付力を確実に被締結部材に伝えることができる。そのため、高温環境下に長時間晒されても、高い締付力を確保することができる。
【００１７】
特に、第１被締結部材として、第１ボルト孔の周囲にボス部が形成されており、鋳造により成形させるものを採用する場合に、本発明は顕著な効果を奏する。つまり、ボス部を有する第１被締結部材を鋳造で成形すると、ボス部の表面、特に第１ボルト孔周辺にヒケ部が発生しやすい。そのため、鋳造後そのままの状態で第１被締結部材を使用すると、ボルト締結してもワッシャと第１被締結部材とが十分に接触せず、十分な締付力を実現することができないので、ボス部表面を平坦に加工する必要があった。しかしながら、本発明においては、ワッシャの第１被締結部材に当接する部分が、ボルト頭部による締付力により塑性変形し、第１ボルト孔周囲に形成されるヒケ部に移動する。そのため、ボス部の表面を平坦に加工しなくても第１被締結部材とワッシャとを十分に当接させることができ、高温環境下に長時間保持されても高い締付力を維持することができる。したがって、本発明によれば、より簡便で安価な構成により、高温環境下に長時間保持しても締付力が低下しにくいボルト締結体及びボルト締結方法を実現することができる。
【００１８】
また、ワッシャの母材として第１被締結部材よりも展伸性のよい材料により構成されるものを選択し、この母材の限られた部分（ボルト頭部と当接する部分）のみに硬度の高い皮膜を形成するようにすれば、比較的容易に本発明にかかるワッシャを得ることができる。皮膜の形成方法としては、母材の限られた表面のみに対して表面処理を行う方法を例示することができる。より具体的には、主表面が平坦なワッシャの一方の主表面にのみ母材よりも硬度の高い皮膜を形成する方法を例示できる。母材の限られた表面に対してのみ表面処理を行い皮膜を形成することで、他の部分では母材が露出するため、母材の露出する部分を第１被締結部材に当接させるようにすれば、本発明の構成を容易に実現することができる。
【００１９】
さらに、第１被締結部材として、マグネシウム合金、アルミニウム合金及び亜鉛合金のうちいずれかにより構成されるものを採用する場合は、ワッシャとしてアルミニウム合金により母材が構成されるものを使用することができる。アルミニウム合金は比較的展伸性に優れた物質であり、本発明に好適に使用することができる。また、このアルミニウム合金を陽極酸化して形成される陽極酸化皮膜は、母材よりも硬度の高いものとなり、ワッシャのボルト頭部と当接する部分に当該陽極酸化皮膜を形成することで、ボルト頭部からの締付力を確実に第１被締結部材に伝えることができる。ワッシャのボルト頭部に当接する部分に形成される陽極酸化皮膜の厚さは、例えば、約３μｍ以上とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について添付の図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態にかかるボルト締結体を示す断面図である。図１に示すように、ボルト締結体は、第１ボルト孔としてのボルト挿通孔６を有する第１被締結部材３と、第２ボルト孔としてのめねじ孔５を有する第２被締結部材１と、ボルト挿通孔６とめねじ孔５とに、第１被締結部材３側から挿入されるボルト４と、該ボルト４に形成されるボルト頭部１４と第１被締結部材３との間に配置され、これらボルト頭部１４と第１被締結部材３とに接するワッシャ１８とを有する。ここで、第１被締結部材３は、具体的には、車両用エンジンに使用されるオイルパンあるいはトランスミッションケースとすることができる。また、第２被締結部材は、具体的には、例えば車両用エンジンに使用されるシリンダブロックあるいはエンジン本体とすることができる。
【００２１】
ボルト４はつば付きボルトとされていて、その頭部１４の座面１５側につば部１６が一体的に設けられているものである。このつば部１６の一方の面は座面１５の一部をなしている。ボルト４の軸部１７は第１被締結部材３とそのボス部２に設けられたボルト挿入孔６とめねじ孔５とに挿入されている。ボルト４の頭部と第１被締結部材３との間に、ボルト４の軸部１７に貫通された状態でワッシャ１８が装着されている。
【００２２】
ワッシャ１８は、母材の上端のみに硬質な表面処理皮膜１９が施されている構造となっている。ワッシャ１８は、上端の硬質な表面処理皮膜１９側がボルト４の座面１５のうちつば部１６によって構成されている部分に接する一方、硬質な表面処理皮膜が形成されていない下部の非表面処理部２０は、第１被締結部材３のボス部２に接するようになっている。ワッシャ１８の形状としては、一般的なワッシャと同様のものを採用することができ、主表面が平坦であり、中心にボルト４の軸部１７を挿通するための円形開口部が形成されている環状のものを採用することができる。
【００２３】
ボルト４の軸部１７の先端にはおねじ部７があり、このおねじ部７が第１被締結部材３のめねじ孔５に組み付けられており、このめねじ孔５が形成されている第２被締結部材１とボルト４の座面１５との間に第１被締結部材３がワッシャ１８と共に締め付けられるようになっている。
【００２４】
ここで、第１被締結部材３は、アルミニウム合金、マグネシウム合金及び亜鉛合金のうちいずれかにより構成されている。特に、これらの合金により構成される鋳造材あるいは展伸材を採用することができる。アルミニウム合金としては、ＪＩＳ規格に登録されている鋳造用アルミニウム合金を使用することができる。特に、Ａｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｃｕ系合金及びＡｌ−Ｍｇ系合金のうちいずれかを採用することができる。また、ＪＩＳ規格に登録されているダイカスト用アルミニウム合金を使用することができる。より具体的には、ダイカスト用アルミニウム合金として、ＡＤＣ１、ＡＤＣ３、ＡＤＣ５、ＡＤＣ６、ＡＤＣ１０、ＡＤＣ１０Ｚ、ＡＤＣ１２、ＡＤＣ１２Ｚ、ＡＤＣ１４（いずれもＪＩＳ規格）等を例示することができる。
【００２５】
また、第１被締結部材３に採用されるマグネシウム合金としては、ＪＩＳ規格に登録されている鋳造用マグネシウム合金を例示することができる。より具体的には、ＭＣ１、ＭＣ２Ａ、ＭＣ２Ｂ、ＭＣ３、ＭＣ５、ＭＤＣ１Ａ、ＭＤＣ１Ｂ、ＭＤＣ１Ｄ、ＭＤＣ２Ａ、ＭＤＣ２Ｂ（いずれもＪＩＳ規格）等を例示することができる。これらのうちでも、ダイカスト用マグネシウム合金である、ＭＤＣ１Ａ、ＭＤＣ１Ｂ、ＭＤＣ１Ｄ、ＭＤＣ２Ａ、ＭＤＣ２Ｂ等を使用することができる。さらに、第１被締結部材３に使用されるマグネシウム合金として、Ａｌを６〜１２質量％、Ｃａを０．０５〜４質量％、希土類元素（ＲＥＭ）を０．５〜４質量％、Ｍｎを０．０５〜０．５０質量％、Ｓｎを０．１〜１４質量％含有するマグネシウム合金を使用することができる。これらのうちでも、さらにＺｒを０．０５〜０．２質量％、Ｃを０．０３〜０．２質量％のうち少なくとも１種を含有するマグネシウム合金を使用することができる。このようなマグネシウム合金においては、良好な耐熱性を示すので、高温環境に長時間さらされてもクリープ変形が生じにくくなっているが、本発明のボルト締結体及び本発明のボルト締結方法に採用することで、高温環境下に長時間保持されてもより一層ボルトが弛みにくいボルト締結体及びボルト締結方法を実現することができる。
【００２６】
さらに、第１被締結部材３に使用される亜鉛合金としては、例えばＺＤＣ１、ＺＤＣ２（いずれもＪＩＳ規格）等を例示することができる。
【００２７】
また、第１被締結部材３は、ボルト挿通孔６の周囲にボス部２が形成されているものである。つまり、ボルト挿通孔６が形成されている周辺は肉厚部となっている。さらに、第１被締結部材３は鋳造により成形されるものである。具体的には、上記のような鋳造用アルミニウム合金、鋳造用マグネシウム合金等を溶融して金型内に供給することで成形することができる。また、上記のダイカスト用アルミニウム合金、ダイカスト用マグネシウム合金を用いて、ダイカスト鋳造により成形してもよい。このように、本実施形態のボルト締結体に使用される被締結体は、鋳造により成形されるものであるためボス部にヒケ部が生じやすい。具体的には、図１に示すように、厚肉部であるボス部２のボルト挿通孔６の周辺にヒケ部１３が形成されている。このように、本実施形態に使用される第１被締結部材３は、鋳造により成形された鋳造品に対して、ボス部２の表面を平坦にする加工工程を行わずに使用されるものである。そのため、第１被締結部材３を成形する際にかかる工数を低減でき、より低コストなボルト締結体を実現することができる。
【００２８】
一方、第２被締結部材１の材質については、特に限定されるものではないが、第１被締結部材１と第２被締結部材３とを含むボルト締結体全体の軽量化を望むのであれば、上記の第１被締結部材３と同様の材質により構成することができる。
【００２９】
ワッシャ１８としては、第１被締結部材３よりも展伸性のよい材料により構成される母材を有するものであり、この母材のボルト頭部１４に当接する部分に該母材よりも高硬度の表面処理皮膜１９が形成されているものを採用することができる。さらに、第１被締結部材３に当接する部分には母材が露出しているものを採用することができる。特に、第１被締結部材３がマグネシウム合金、アルミニウム合金及び亜鉛合金のいずれかにより構成されるものである場合には、ワッシャ１８の母材としてアルミニウム合金により構成されるものを採用することができる。これらのうちでも、特に展伸性のよい展伸用アルミニウム合金を採用することができる。展伸用アルミニウム合金としては、ＪＩＳ規格に規定されているＡ６０６１、Ａ６Ｎ０１、Ａ６０６３、Ａ６１０１等のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金を例示することができる。また、ＪＩＳ規格に規定されているＡ１０５０、Ａ１０７０、Ａ１１００、Ａ１Ｎ９０、Ａ２０１７、Ａ２１１７、Ａ２０２４、Ａ２０２５、Ａ３００３、Ａ３００４、Ａ３００５、Ａ３１０５、Ａ４０３２、Ａ４０４３、Ａ５０５２、Ａ５０５４、Ａ５０８３、Ａ５Ｎ０１、Ａ７００３、Ａ７Ｎ０１、Ａ７０５０、Ａ７０７５、Ａ８０２１、Ａ８０７９、Ａ８０９０等の展伸用アルミニウム合金を採用することができる。さらに、上記のようなＪＩＳ規格に登録されている展伸用アルミニウム合金に対して、その展伸性を大幅に損なわない範囲で組成を変化させたものを採用することもできる。
【００３０】
本実施形態において、ワッシャ１８に形成されている硬質な表面処理皮膜１９は、上記アルミニウム合金により構成される母材の酸化皮膜とすることができ、特に、上記アルミニウム合金により構成される母材の陽極酸化皮膜とすることができる。特に陽極酸化皮膜のうちでも多孔質型酸化皮膜（いわゆるアルマイト）を例示することができる。ここで、多孔質型陽極酸化皮膜は、多孔質な酸化皮膜（多孔質膜）と緻密な酸化皮膜（バリヤー層）とを有する二重層皮膜であり、特に母材の表面に緻密なバリヤー層が形成され、さらにそのバリヤー層の外表面側に多孔質な多孔質膜が形成されているものである。このようなアルミニウム合金の陽極酸化皮膜は、上記アルミニウム合金により構成される母材を硫酸、クロム酸、リン酸、シュウ酸などの酸性水溶液によりなる電解浴中で陽極酸化することにより形成することができる。また、上記のような酸性水溶液の電解浴を用いて形成される多孔質型陽極酸化皮膜のうちでも、硬質陽極酸化皮膜（いわゆる硬質アルマイト）を採用することができる。硬質陽極酸化皮膜は、例えば低温（約１０℃以下）の硫酸浴を用いて陽極酸化することにより得られる。なお、陽極酸化皮膜としては、上記の多孔質酸化皮膜の他に、前述のアルミニウム合金により構成される母材を、ホウ酸―ホウ酸ナトリウム混合水溶液（ｐＨ５〜７）、酒石酸、クエン酸、マレイン酸、グリコール酸等の中性水溶液により陽極酸化することで形成されるものを採用することもできる。
【００３１】
また、陽極酸化皮膜の膜の厚さとしては、該陽極酸化皮膜自体の硬度を十分に確保できる厚さであれば、特に限定されるものではない。陽極酸化皮膜の種類（使用する電解浴の種類）によっては、適切な皮膜の厚さ（十分な硬度を確保できる厚さ）も変化するので、陽極酸化皮膜の種類に応じて適宜設定するのがよい。陽極酸化皮膜の厚さは、電解浴の種類、電解浴の温度、電解時間及び電解時の電流密度等に依存するため、これらの条件を適宜設定することで、所望の厚さの陽極酸化皮膜を形成することができる。
【００３２】
以上、ワッシャ１８の上端に形成される硬質な表面処理皮膜１９として、陽極酸化皮膜を用いる形態を例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。表面処理皮膜１９としては、ワッシャ１８の母材材質や、第１被締結部材３の材質等に応じて、ボルト４からの締付力を第１被締結部材３に伝達できるのに十分な硬度を確保できる範囲で、化学酸化皮膜、金属メッキ皮膜、非金属皮膜、化学気相蒸着（ＣＶＤ）法により形成されるＣＶＤ皮膜、物理気相蒸着（ＰＶＤ）法により形成されるＰＶＤ皮膜等を採用することもできる。
【００３３】
一方、前述したように、ワッシャ１８の下端側（第１被締結部材３と当接する側）には、ワッシャ１８の母材が露出して、非表面処理部２０となっている。非表面処理部２０は、具体的には、上記のような硬質な表面処理皮膜１９を形成するための表面処理が行われていない部分であり、図１に示す本実施形態においては、前述したワッシャ１８の母材として使用されるアルミニウム合金により構成されている部分である。
【００３４】
上記のように、非表面処理部２０を形成するためには、以下のような方法を採用することができる。つまり、ワッシャ１８の上端に硬質な表面処理皮膜１９として陽極酸化皮膜を形成する場合には、非表面処理部２０となるべき部分の表面にマスク材が配置され、硬質な表面処理皮膜１９が形成されるべき部分の表面にはマスク材が配置されていないアルミニウム合金により構成される母材を用意する。そして、このような状態の母材に対して前述した電解浴を用いて陽極酸化を行う。このような方法により、母材のマスク材が配置されていない部分には、硬質な表面処理皮膜１９が形成される一方、母材のマスク材が配置されている部分には、硬質な表面処理皮膜１９が形成されない。そのため、陽極酸化後の母材からマスク材を取り外すことにより、硬質な表面処理皮膜１９と非表面処理部２０とが形成されているワッシャ１８を得ることができる。なお、硬質な表面処理皮膜１９として陽極酸化皮膜を採用せず、化学酸化皮膜、金属メッキ皮膜、非金属皮膜、ＣＶＤ皮膜及びＰＶＤ皮膜等を採用する場合でも、同様の方法により非表面処理部２０を形成することができる。つまり、母材の非表面処理部２０となるべき部分にマスク材を配置し、その状態の母材に対して表面処理皮膜１９を形成する工程を行うことで、硬質な表面処理皮膜１９と非表面処理部２０とが形成されているワッシャ１８を得ることができる。
【００３５】
以上説明したような本実施形態のボルト締結体においては、ボルトによる締め付け前は図１のようにワッシャ１８は従来技術に示す図５のワッシャ１１と同様平らな形状をなしている。次にボルト４を締め付け方向に回転していくと、ボルト４の頭部１４と第２被締結部材１との間で第１被締結部材１、ワッシャ１８が締め付けられていく。そして、ワッシャ１８の上端の硬質な表面処理皮膜１９がボルト４の座面１５から圧力を加えられるとともに、ワッシャ１８の下端の非表面処理部２０が第１被締結部材１のボス部２上面８に圧力を加える。このとき、ワッシャ１８の上端には硬質な表面処理皮膜１９が形成されていることから、ワッシャ１８の上端には、ボルト４の座面１５から均一な圧力が加わることになり、ボルト４からの締付力を、ワッシャ１８を介して第１被締結部材３に十分に伝えることができる。一方、ワッシャ１８の下端は、第２被締結部材１よりも展伸性に優れる非表面処理部２０とされているので、ボルト４による締付力が非表面処理部２０に働くにつれて、非表面処理部２０が塑性変形し、非表面処理部２０を構成する母材（本実施形態においてはアルミニウム合金）が第１被締結部材３のボス部２のひけ部１３に入り込んでいく。そして、所定の締付力でボルト４を締め付けると、図２に示すように、ワッシャ１８の母材が完全に第１被締結部材３のボス部２のひけ部１３に充填され、ひけ部１３が形成されているボス部２の上面８とワッシャ１８の非表面処理部２０が密着することになる。
【００３６】
上記のような方法により得られるボルト締結体は、ワッシャ１８の下端部（非表面処理部２０）と、第１被締結部材３とが完全に面当りすることで、ボルト４の座面１５からワッシャ１８を介して第１被締結部材３に伝えられる締付力が、当該第１被締結部材３のボス部２上面８に均等に分散しやすくなる。したがって、本実施形態のボルト締結体を高温環境下で長時間保持しても、第１被締結部材３のクリープ変形が抑制されることになり、ボルト４の締付力の低下を抑制することができる。さらに、上記のような本実施形態にかかるボルト締結体は、図５に示す従来のワッシャ１１に代えて、本実施形態にかかるワッシャ１８を使用することで実現することができるので、比較的構造が簡単であり、製造工数とコストを低減することができる。
【００３７】
また、本実施形態にかかるワッシャ１８は、図１及び２に示すように、第１被締結部材３と当接する部分のみではなく、母材の側面１８ａにも硬質な表面処理皮膜１９が形成されていないものを採用するのが望ましい。母材の側面１８ａにも硬質な表面処理皮膜１９を形成した場合、ボルト４によりワッシャ１８を介して第１被締結部材３に締付力を加えると、母材の側面１８ａに形成される硬質な表面処理皮膜１９と、その径方向内部の非表面処理部２０との間でクラックが形成される可能性があるためである。
【００３８】
なお、上記の本実施形態のボルト締結体においては、使用するワッシャとして、ボルト４に当接する部分に硬質な表面処理皮膜１９が形成されており、第１被締結部材３と当接する部分には、上記表面処理皮膜１９が形成されておらず、母材が露出しているものを採用しているが、本発明はこれに限られるものではない。ワッシャとして、母材の第１被締結部材３と当接する部分に、該第１被締結部材３よりも展伸性のよい皮膜が形成されたものを採用することもできる。
【００３９】
また、図１及び図２に示す本実施形態のボルト締結体においては、第２被締結部材１として、第２ボルト孔としてめねじ孔５が形成されているものを採用しているが、本発明はこれに限られるものではない。つまり、第２被締結部材としては、第２ボルト孔としてボルト挿通孔が形成されているものを採用することもできる。この場合、めねじ孔が形成されているめねじ部材（ナット等）を第２被締結部材１の第１被締結部材３とは反対側に別途設けて、ボルト４のおねじ部７をめねじ部材のめねじ部に螺合させることにより、第１被締結部材３と第２被締結部材１とをボルト締結することができる。
【実施例】
【００４０】
前述したような、本発明のボルト締結体及びボルト締結方法の効果を確認するため、以下のような実験を行った。まず、第２被締結部材１として、耐熱マグネシウム合金により構成されるテストピースを作製した。具体的には、アルミニウムを７質量％、カルシウムを１．３質量％、希土類元素としてミッシュメタルを１．４質量％、マンガンを０．１９質量％、スズを０．４２質量％を含有し、残部がマグネシウムと不可避不純物により構成されるマグネシウム合金を用いてダイカスト鋳造法により、直径が２８ｍｍ、高さが２１ｍｍの円柱状のテストピースを作製した。その後、このテストピースに対してねじ孔加工によって、ねじ径が８ｍｍのめねじ孔５を形成した。なお、ミッシュメタルの基本組成は、ミッシュメタル全体を１００質量％としたとき、セリウムが５０質量％、ランタンが２７質量％、ネオジムが１１質量％、プラセオジムが５質量％含まれており、さらに残部として他の希土類元素が含まれているものである。
【００４１】
一方、第１被締結部材３として、耐熱マグネシウム合金により構成されるテストピースを作製した。具体的には、アルミニウムを７質量％、カルシウムを１．３質量％、希土類元素としてミッシュメタルを１．４質量％、マンガンを０．１９質量％、スズを０．４２質量％を含有し、残部がマグネシウムと不可避不純物により構成されるマグネシウム合金を用いてダイカスト鋳造法により、直径が２８ｍｍ、高さが２１ｍｍの円柱状のテストピースを作製した。このとき、テストピースをダイカスト鋳造法により作製したので、円柱状のテストピースの端面にはヒケ部が形成されていた。そして、このヒケ部が端面に形成されているテストピースの該端面に、切削加工により内径１０．１ｍｍのボルト挿通孔を形成した。そして、ボルト挿通孔が形成されている端面に対して切削加工等のヒケ部を除去する工程を行うことなく、端面にヒケ部が形成されているままの状態のテストピースを実験に使用するようにした。
【００４２】
また、本発明の実施例にかかるワッシャ１８を以下のように作製した。ワッシャ１８はＪＩＳ６０６１により規定されるアルミニウム合金を母材とし、この母材の上面にのみ硬質アルマイト処理を施すことで作製した。母材の形状としては、外径が２２ｍｍ、１８ｍｍ、１６ｍｍの環状とされる３種類の形状のものを用意した。なお、母材の厚さはいずれのワッシャも約３ｍｍである。また、上記のような形状の母材の上面にのみ硬質アルマイト皮膜を形成する処理としては、母材の下面及び側周面にマスク材として粘着シールを貼り付け、その状態で電解浴中で陽極酸化することで行った。その後、電解浴からワッシャ母材を取り出し、下面及び側周面に取り付けられたマスク材を除去することでワッシャ１８を作製した。作製されたワッシャ１８には、膜厚が４０μｍの硬質アルマイト皮膜が母材の上面にのみ形成されていた。
【００４３】
一方、比較例にかかる凡用ワッシャとして、上記３種類の形状のアルミニウム合金により構成される母材に対して、その全面に硬質アルマイト処理を施したものを作製した。硬質アルマイト処理としては、上記実施例にかかるワッシャ１８と同様の方法により行った。作製された凡用ワッシャには、膜厚が４０μｍの硬質アルマイト皮膜が母材の全面に形成されていた。
【００４４】
次に、前述のように作製したワッシャを用いて、第１被締結部材と第２被締結部材とをボルト４により締結し、実施例にかかるボルト締結体と比較例にかかるボルト締結体とを作製した。具体的には、第１被締結部材３と第２被締結部材１とを、両者に形成されているボルト孔が互いに重なるように当接させ、第１被締結部材３の第２被締結部材１とは反対側に、ワッシャを該ワッシャの下面が第１被締結部材３に当接するように配置する。そして、重なったボルト挿通孔６及びめねじ孔５とにボルト４を挿入し、図２に示すように、ボルト４のおねじ部７をめねじ孔５に螺合させることにより、実施例及び比較例のボルト締結体を作製した。いうまでもないが、実施例のボルト締結体は、実施例にかかるワッシャ１８を用いたものであり、比較例のボルト締結体は、比較例にかかる凡用ワッシャを用いたものである。なお、ボルト４は、ねじ径がＪＩＳＢ１１８０に規定されているＭ８であり、はめあい長さを２．５×ｄ（ネジ径：８ｍｍ）＝２０ｍｍの鋼鉄ボルトを用いた。また、第１被締結部材３と第２被締結部材１とは、軸力１３．１ｋＮの締付力で締結した。
【００４５】
以上のように作製されたボルト締結体を、１５０℃の大気雰囲気中に、１時間および３００時間放置し、そのときのボルトの締付力（軸力）をそれぞれの実施例及び比較例のボルト締結体においてそれぞれ測定した。ボルトの締付力（軸力）は、超音波軸力測定機を用いて測定した。そして、それぞれの保持時間におけるボルトの締付力から、その保持時間における軸力保持率を求めた。軸力保持率は、［（測定軸力値）／（初期軸力値）］×１００（％）で表されるものとしている。つまり、軸力保持率が５０％であるとは、上記下条件における高温保持により、初期軸力１３．１ｋＮ×０．５に軸力が低下したことを意味する。上記の実験により得られた結果を図３に示す。Ａは本実施例品、Ｂは比較例品をそれぞれ表している。
【００４６】
図３に示す結果より、ワッシャの外径が２２ｍｍの場合において、比較例品は、高温環境下に１時間保持された後では軸力保持率が約６０％まで低下し、３００時間保持された後では軸力保持率が約２４％まで急激に低下している。これに対し、本実施例品は、３００時間保持後でも、約４４％の軸力保持率を有し、高温環境下に長時間保持されても、ボルトの緩みを抑制することができることが確認された。また、ワッシャの外径を２２ｍｍから１８ｍｍ、１６ｍｍと変化させて、第１被締結部材に働く面圧を変化させても、３００時間保持後では、比較例に比べて本実施例品のほうが、約１０〜２０％程度軸力保持率が向上していることがわかる。このように、本実施例にかかるボルト締結体においては、ボルト孔が形成されている端面に鋳造によりヒケ部が形成されている場合でも、高温環境下に長時間晒されることによる締付力（軸力）の低下を大幅に抑制することができる。
【００４７】
以上説明したように、本発明にかかるボルト締結体及びボルト締結方法は、ボルト孔周辺にヒケ部が形成されている被締結部材を使用する場合であっても、高温環境下に長時間保持した後のボルトの弛みを大幅に抑制することができる。そのため、製造工数及びコストを削減しつつ、高温環境下の使用に耐えうるボルト締結体あるいはそのようなボルト締結体を作製するボルト締結方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明のボルト締結体及びボルト締結方法を説明する断面図。
【図２】本発明のボルト締結体の一実施形態について説明する断面図。
【図３】実施例における実験結果を示す図。
【図４】従来のボルト締結体の一例を示す図。
【図５】従来のボルト締結体の図４とは異なる一例を示す図。
【符号の説明】
【００４９】
１  第２被締結部材
２  ボス部
３  第１被締結部材
４  ボルト
５  めねじ孔（第２ボルト孔）
６  ボルト挿通孔（第１ボルト孔）
７  おねじ部
８  ボス部の上部
１３  ヒケ部
１４  ボルト頭部
１５  座面
１６  つば部
１７  ボルト軸部
１８  ワッシャ
１９  硬質な表面処理皮膜（陽極酸化皮膜）
２０  非表面処理部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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